傳統的城鎮污水處理廠經過生物處理技術后，尾水中氮含量仍然較高，直接排入自然水體或是再利用，可能導致自然水體富營養化，降低水體透明度，破壞水體生態平衡；腐蝕輸水管道或是熱交換器，甚至損害設備。反硝化生物可以對污水處理廠的尾水進行深度脫氮處理。為了提高有脫氮效率，需要向系統中投加碳源，與甲醇、乙酸鈉和一些低分子糖類的傳統的碳源相比。包括棉花、稻草、玉米芯、報紙、麥秸等；工業污水、生活污水及垃圾滲濾液等固態、液態廢棄物，可以作為反硝化過程中的外加碳源，具有節約資源和成本，去除氮的效率高等特點，可以作為新型碳源使用。
研究背景
根據中國近幾年的水資源公報顯示，我國水資源總量在2.4×1012～2.8×1012m3之間變動，人均占有水資源量約為1850～2200m3。由此可見，雖然我國水資源總量較多，但是人均占有水資源量較少，僅相當于世界人均占有量25%左右。我國的水資源嚴重短缺，很大程度制約了國民經濟的可持續發展。
人類的生活和經濟社會的發展都離不開水，影響人們生活和制約社會經濟發展的，不僅是水資源在水量上的匱乏，更重要的是由于水環境惡化而造成的水質型缺水。我國農村水環境問題日益突出，生活污染加劇，面源污染加重，工礦污染凸顯，飲水安全存在隱患，呈現出污染從城市向農村轉移的態勢。
氮在水中主要以有機氮和無機氮兩種形態存在，來源于生活污水、農業廢棄液、工業廢水等。含氮物質可以通過自然過程和人類活動等途徑進入水環境中，天然水體中的亞硝酸氮濃度很低，人類活動是引起氮含量過多的主要原因，主要通過面污染和點污染進入水體。常見的面污染源有：農業面源污染、城市雨水徑流污染、氣載污染物污染、水體流失和水產養殖等。常見的點污染源有：城市污水與工業廢水直接排放、污水處理廠的尾水排放、生活垃圾場和工業廢料場等。大量的氮污染物進入水體會加速水體的富營養化，惡化水體質量，影響漁業發展和危害人體健康，影響供水水質和增加制水成本。
根據社會用水健康循環的基本策略，污水深度處理與再生利用是一個關鍵環節，也是我國水環境恢復的切入點。如果在城市污水二級處理的基礎上深度處理和再生利用，可以將排放水變成再生水作為城市的第二水源，不但緩解了水資源的不足，還減輕了水環境的污染，對社會用水健康循環具有重要的戰略意義。因此，為了保護水環境，以及實現城鎮污水廠污水二次利用，嚴格控制出水氮含量是極其必要的。
傳統生物脫氮工藝
在城市污水中，氮有多種存在形式，包括有機氮、氨氮、硝酸氮、亞硝酸氮和氣態氮等，并且它們在一定的條件下可以相互轉化。傳統生物法脫氮途徑一般包括三個階段：氨化作用、硝化作用和反硝化作用，這三個階段分別在氨化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下完成，如下圖1所示。有機氮化合物在氨化菌的作用下，被分解轉化為氨氮，這一過程稱為氨化作用。在硝化菌和亞硝酸菌的作用下，氨氮進一步分解氧化為亞硝酸氮，轉化為硝化氮，這個過程稱為硝化作用。然后，在生物反硝化系，反硝化菌利用碳源電子供體，亞硝酸氮、硝酸氮作為電子受體，將亞硝酸氮、硝酸氮還原為氣態氮，同時去除有機物和氮污染物。通過上述三個階段的反應，實現從廢水中脫氮的目的。當然，氮的去除還包括微生物細胞的同化作用將氨轉化細胞原生質成分。 人類的生活和經濟社會的發展都離不開水，影響人們生活和制約社會經濟發展的，不僅是水資源在水量上的匱乏，更重要的是由于水環境惡化而造成的水質型缺水。我國農村水環境問題日益突出，生活污染加劇，面源污染加重，工礦污染凸顯，飲水安全存在隱患，呈現出污染從城市向農村轉移的態勢。
氮在水中主要以有機氮和無機氮兩種形態存在，來源于生活污水、農業廢棄液、工業廢水等。含氮物質可以通過自然過程和人類活動等途徑進入水環境中，天然水體中的亞硝酸氮濃度很低，人類活動是引起氮含量過多的主要原因，主要通過面污染和點污染進入水體。常見的面污染源有：農業面源污染、城市雨水徑流污染、氣載污染物污染、水體流失和水產養殖等。常見的點污染源有：城市污水與工業廢水直接排放、污水處理廠的尾水排放、生活垃圾場和工業廢料場等。大量的氮污染物進入水體會加速水體的富營養化，惡化水體質量，影響漁業發展和危害人體健康，影響供水水質和增加制水成本。
根據社會用水健康循環的基本策略，污水深度處理與再生利用是一個關鍵環節，也是我國水環境恢復的切入點[7]。如果在城市污水二級處理的基礎上深度處理和再生利用，可以將排放水變成再生水作為城市的第二水源，不但緩解了水資源的不足，還減輕了水環境的污染，對社會用水健康循環具有重要的戰略意義。因此，為了保護水環境，以及實現城鎮污水廠污水二次利用，嚴格控制出水氮含量是極其必要的。
傳統生物脫氮工藝
在城市污水中，氮有多種存在形式，包括有機氮、氨氮、硝酸氮、亞硝酸氮和氣態氮等，并且它們在一定的條件下可以相互轉化。傳統生物法脫氮途徑一般包括三個階段：氨化作用、硝化作用和反硝化作用，這三個階段分別在氨化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下完成，如下圖1所示。有機氮化合物在氨化菌的作用下，被分解轉化為氨氮，這一過程稱為氨化作用。在硝化菌和亞硝酸菌的作用下，氨氮進一步分解氧化為亞硝酸氮，轉化為硝化氮，這個過程稱為硝化作用。然后，在生物反硝化系，反硝化菌利用碳源電子供體，亞硝酸氮、硝酸氮作為電子受體，將亞硝酸氮、硝酸氮還原為氣態氮，同時去除有機物和氮污染物。通過上述三個階段的反應，實現從廢水中脫氮的目的。當然，氮的去除還包括微生物細胞的同化作用將氨轉化細胞原生質成分。
基于上述原理設計的脫氮工藝為前置反硝化生物脫氮工藝，即廣泛使用的A/O（缺氧/好氧）工藝，其運行流程如圖2所示。在A/O工藝中，回流液中的大量硝酸鹽回流到缺氧池，從原污水中得到充足的有機物，使得反硝化脫氮充分進行。目前，我國大部分污水處理廠普遍存在著碳源不足的問題，污水的碳氮比（C/N）偏低，多數城填污水的C/N僅為3～4，導致脫氮效率低，尤其進入低溫季節，情況更為嚴重。因為好氧池中的一部分流量沒有回流到缺氧池而直接排放掉，所以該A/O工藝脫氮效果受到限制，致使許多污水處理廠二級出水中殘余總氮含量偏高，主要以硝酸氮形態出現。常規混凝-過濾-消毒的再生水處理工藝對氮的去除作用不明顯，因此反硝化生物脫氮成為再生水深度脫氮的首選工藝。為提高系統脫氮效率，可以向缺氧池中外加碳源。
A/O生物脫氮工藝
碳源是反消化過程不可少的一種物質。傳統的碳源物質包括甲醇、乙酸和一些低分子糖類等，甲醇、乙酸等小分子液體碳源反硝化作用率高，脫氮效果好，但其投加量不易控制，運輸和運行成本較高，具有一定的毒性和危害[12-14]。研究者對外加碳源問題進行了新的探索和嘗試研究，開始探索開發新型外加碳源來代替傳統碳源。
本文從固態、液態廢棄物兩個方面闡述新型碳源的研究，為以后的反硝化外加碳源的相關研究提供基礎支持。
固態碳源
固態碳源有纖維素碳源、人工合成可降解聚合物等（不溶于水的可生物降解聚合物（BDPs）作為反硝化的碳源和生物的載體。
纖維素類
纖維素在反硝化過程中既可以作為反硝化過程的碳源，也可以作為微生物的載體，促進反硝化過程。纖維素沒有生物毒性，具有較大比表面積，能讓更多的細菌附著，可以用作反硝化碳源和生物膜載體。常見的纖維素碳源有棉花、稻草、玉米芯、報紙、麥秸等。李斌等以棉花、稻草、稻殼、玉米芯這4種農業廢棄物作為反硝化碳源和微生物載體，通過對靜態碳數量和質量、長期脫氮效果以及生物附著性能等方面的比較，結果顯示，玉米芯具有持續穩定的釋碳和反硝化脫氮效率，且表面容易附著微生物，適宜作為反硝化生物濾池所需的反硝化碳源濾料，更適于再生水反硝化深度脫氮濾池的碳源濾料。邵留等人通過開展甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻殼、花生殼、木屑6種農業廢棄物浸出物質元素分析、釋碳量的比較、脫氮效果、生物附著性能等方面的研究，篩選出來源方面、費用低廉、結構穩定、脫氮效果好，副效應低的碳源。試驗初步優選了玉米芯、稻草、稻殼可用做替代傳統液體碳源的固體碳源。木屑實驗組由于碳釋放量不足、生物附著性能較差等原因導致脫氮性能較差。
可生物降解聚合物
可生物降解聚合物（biodegradable polymers，BDPs）可以作為反硝化微生物的碳源，同時也是反硝化生物附著生長的良好載體。研究發現，PBS作為反硝化固體碳源與生物膜載體時，聚合物表面形成比較致密的微生物膜，對內部的反硝化菌形成保護層，增強了微生物對進水pH、DO等沖擊負荷的適應能力，BDPs價格較高，阻礙了其廣泛應用。
液態碳源
液態碳源主要是指工業廢水如啤酒廢水、食品廢水等和垃圾滲濾液；其他新型碳源有污泥水解揮發性脂肪酸（VFAs）等。
工業廢水
工業廢水一般都是高碳源廢水，若能將它們作為生物反硝化過程的外加碳源，在降低碳源投加成本的同時，還可以節省工業廢水處理所消耗的資源。食品工業的廢水是相對理想的選擇，其內容包括制糖、釀造、肉類、乳品加工等生產過程，所排出的廢水都含有機物，具有強的耗氧性。
現在國內外有許多研究者已經開始了這方面的探索。在我國啤酒生產耗水量大，排出大量的啤酒廢水對環境造成嚴重的威脅。一般每生產1t啤酒的耗水量為10～15t，在我國每生產1t啤酒的廢水排放量是10～30 t。啤酒廢水COD一般為1500～2500mg/L，BOD5為700～1400mg/L，pH為5.5～7.0，不含有毒有害成分，具有良好的可生化性能等特點，由于其具有較高的含碳量，可以把啤酒廢水作為處理的補充碳源具有了一定可行性。由于啤酒廢水不僅含有啤酒殘液，還含有食物殘渣和碎土石渣等物質，因此啤酒廢水作為外加碳源的投加會促使水水質產生較大的波動。特別是當高濃度的啤酒廢水進入到生活污水處理系統時，導致菌膠團迅速生長，多余的碳源被菌膠團轉化為胞外聚合物，降低系統內污泥的沉降性能，導致系統內污泥膨脹，會影響生活污水COD去除率及水處理效果，甚至使出水惡化。
Fernándeznava Y[26]等利用SBR反應器對比糖果廠廢水、軟飲料廠廢水和奶制品廠廢水作為處加碳源進行反硝化試驗，結果表明，糖果廠廢水的最佳C/N比為6.5，當水力停留時間（HRT）為6 h時，最大比反硝化速率為41.6mgNO3-N/（gVSS•h）；軟飲料廠廢水的最佳C/N比為6.5，當水力停留時間（HRT）為4 h時，最大比反硝化速率為44.1mgNO3-N/（gVSS•h）；奶制品廠廢水的最佳C/N比為4.6，當水力停留時間（HRT）為6 h時，最大比反硝化速率為41.6mgNO3-N/（gVSS•h）。反應過程中沒有出現亞硝酸鹽的積累，且出水COD也很低，獲得了很好的處理效果。
以合適的工業廢水作為反硝化過程的外加碳源，微生物種群適應了該廢水的特殊生長環境，一定程度上能獲得較高的反硝化速率，提高反硝化效果。但由于其來源受到諸多因素的限制，對其廣泛應用有很大制約。
生活污水
生活污水主要是城市中使用的各種洗滌劑和污水、垃圾、糞便等，其中含有大量的有機物，如纖維素、淀粉、糖類和脂肪等。殷芳芳[27]在試驗中用經化糞池厭氧發酵后的生活污水進行反硝化反應。其中易降解的TOC絕大部份都是VFAs，比反硝化速率為3.63mg/（g•h），高于甲醇、乙醇和葡萄糖的比反硝化速率。李巍巍[28]以廚余垃圾的厭氧發酵產生（廚余發酵液）作為外加碳源，對進水COD、NH4-N的去除率達96%以上。對污水的TN的脫氮率高達78.5%，可以有效的去除污水中的污染物質。研究發現，廚余垃圾發酵液更容易被微生物用于反硝化，脫氮速率和能力比較高，系統內的污泥好氧微生物活性和硝化能力都較高。通過研究發現，以絮凝污泥水解酸化液作為低碳氮比生活污水補充碳源，可顯著提高前置BAF生物脫氮性能，從而實現絮凝污泥的資源化與減量化。
與傳統的污水處理方法相比，在對污水處理廠處理后的尾水進行生物反硝化處理前可以向系統中投加一定量的外加碳源（固態、液態碳源：乙酸鈉液體），在一定程度上提高污水處理的脫氮效果，增強污水的出水水質。但是，碳源的投加必然會影響和改變系統的進水水質，在水處理的過程中，進水水質的變化會影響到系統內微生物的新陳代謝及其活性，進而降低系統的處理效果，給系統帶來不同程度的沖擊。結合要處理的污水的特性，及污水處理出水水質要求，適當地選擇合適的外加碳源，控制外加碳源的投加量，達到既保證污水處理廠的氮的去除，節約資源和成本，實現廢物的資源化利用的目的。而對固態碳源、液態碳源的選擇首先應該遵循以廢治廢的原則，根據要處理的水質特點，因地制宜，優先選擇可以利用的固態或是液態的廢棄物，達到提高污水處理效果，又減少廢棄物產生的雙重目的。